陳 然, 王寒生, 褚肖肖, 盧志政

(四川宏洲綠高生態(tài)科技有限公司, 成都 610095)

目前新型綠色裝配式擋墻在實際工程中已得到廣泛應(yīng)用,且推動裝配式建筑的發(fā)展,能夠有效減少對碳排放的影響[1],但目前在市政工程中的裝配化率目前還處于較低水平。國內(nèi)有關(guān)裝配式扶壁生態(tài)擋墻應(yīng)用于實際工程的簡化計算方法還較少,楊暉等[2]對預(yù)置拼裝綠化的錨拉型擋墻進行檢測研究;張清晨和郭環(huán)宇[3]對采用漿錨搭接連接的預(yù)制裝配式擋土墻進行有限元分析;王大偉[4]通過國內(nèi)外調(diào)研,研發(fā)新型拼裝式綠色擋墻,并進行理論工況分析,得出經(jīng)驗取值;且有針對裝配式生態(tài)擋墻的施工工藝和建設(shè)中的應(yīng)用進行相關(guān)研究[5-10]。而目前針對裝配式扶壁生態(tài)擋墻結(jié)構(gòu)的試驗分析依然處于空白。

重慶市兩江協(xié)同創(chuàng)新區(qū)六橫線明月大道項目,采用扶壁式[11]擋墻作為路肩擋墻設(shè)計,該擋墻結(jié)構(gòu)立板替換為裝配式生態(tài)擋墻,而其他結(jié)構(gòu)則與傳統(tǒng)扶壁式擋墻相同,由于該擋墻為新型擋墻支護結(jié)構(gòu),目前國內(nèi)研究現(xiàn)狀僅針對其工法的討論[12],暫未有基于原位試驗的理論分析。

該擋墻將立板由傳統(tǒng)的連續(xù)現(xiàn)澆砼結(jié)構(gòu),替換為肋柱和腰梁組合而成的井字梁框架結(jié)構(gòu),故無法采用現(xiàn)有扶壁式擋墻規(guī)范計算。本文通過結(jié)合項目立板墻背土壓力以及現(xiàn)澆砼結(jié)構(gòu)內(nèi)鋼筋內(nèi)力的試驗數(shù)據(jù),對適用于扶壁式擋墻的裝配式生態(tài)擋墻結(jié)構(gòu)受力進行研究[13],提出可實際設(shè)計及應(yīng)用的簡化計算方法,為使用裝配式生態(tài)擋墻提供簡化計算依據(jù)。

1 原位試驗方法

該扶壁式擋墻總高為7.65 m,扶壁間距為3.26 m,裝配式生態(tài)擋墻替代原扶壁式擋墻立板結(jié)構(gòu)。在擋墻扶壁迎土面和立板墻背安裝土壓力計測試土壓應(yīng)力分布,土壓力布置方法如圖1所示。在立板結(jié)構(gòu)肋柱7根縱筋和腰梁6根縱筋,均安裝鋼筋計測試鋼筋受力情況,鋼筋計布置方法如圖2所示。

單位:cm圖1 土壓力計布置方法斷面

試驗在墻背安裝土壓力計,以檢測墻背土壓應(yīng)力的分布情況,布置方式如圖1和圖2所示,立板面布置三列土壓力計,間距為0.64 m,分別距離扶壁分別為0.1 m、0.74 m和1.38 m。扶壁面土壓力計布置于扶壁迎土面。一組土壓力計共計4個,共布置6排,每排間距為1.0 m。

試驗在肋柱和腰梁結(jié)構(gòu)的縱筋安裝鋼筋計,其中立板肋柱縱筋7根鋼筋共安裝3排,距離基礎(chǔ)頂面高度分別為2.3 m、4.1 m和5.3 m。腰梁鋼筋計布置于結(jié)構(gòu)腰梁6根縱筋2列布置,分別位于肋柱到兩側(cè)扶壁的中點,兩組間距為1.5 m,如圖3～圖5所示。

單位:cm圖3 鋼筋計布置方法斷面

最終所有傳感器安裝完成實景如圖6～圖8所示。

圖6 擋墻土壓力計布置實景

圖7 鋼筋計布置實景

圖8 裝配式生態(tài)擋墻正面

2 墻背荷載的確定

經(jīng)過對扶壁迎土面和立板面土壓應(yīng)力的檢測,經(jīng)過2個月時間11次的數(shù)據(jù)采集測試,最終穩(wěn)定后側(cè)向土壓應(yīng)力分布如圖9所示。

圖9 扶壁迎土面和立板面隨墻高度土壓應(yīng)力曲線

由圖9可知,該扶壁式擋墻在迎土面土壓應(yīng)力基本呈上小下大的三角形分布,符合庫倫理論,實測最大應(yīng)力在基礎(chǔ)頂面,為66.42 kPa,相比該點庫倫理論計算值(89.76 kPa),實測值偏小,原因是該擋墻為挖方段,中風化的泥質(zhì)砂巖,基礎(chǔ)踵板按照坡比1∶0.5臨時開挖,距離墻體較近,擋墻施工完成后再進行墻背回填,故土壓力為有限范圍,相比半無限空間的庫倫經(jīng)典理論值偏小。

圖10 規(guī)范與應(yīng)用于裝配式生態(tài)擋墻簡化土壓應(yīng)力分布

實測該立板所受最大土壓應(yīng)力為30.10 kPa,距離基礎(chǔ)頂面4.1 m,且處于兩扶壁間距的中心。根據(jù)規(guī)范立板所受最大土壓應(yīng)力實測小于扶壁迎土面最大庫倫土壓應(yīng)力的0.5倍,即30.10 kPa<0.5×66.42 kPa=33.21 kPa,符合規(guī)范結(jié)論。

為使計算簡便,同時保證結(jié)構(gòu)安全,裝配式生態(tài)擋墻應(yīng)用于扶壁式擋墻立板結(jié)構(gòu)時,系通過均布荷載的方式進行現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)計算,即將最大應(yīng)力值作為全墻的均布荷載進行計算,如圖10(b)所示。根據(jù)本次試驗數(shù)據(jù),采用30.10 kPa的均布荷載對裝配式生態(tài)擋墻立板結(jié)構(gòu)進行現(xiàn)澆砼鋼筋的受力驗算。

3 現(xiàn)澆砼結(jié)構(gòu)受彎分析

3.1 實測梁截面應(yīng)力確定

鋼筋計測得為該鋼筋的力變量,其單位為kN,需通過式(1)換算為該鋼筋的應(yīng)力值:

σ=F/S

(1)

式中:σ為被測鋼筋的應(yīng)力,MPa;F為被測鋼筋的力變量,kN;S為被測鋼筋的截面積,mm2。

因傳感器測試數(shù)據(jù)讀數(shù)受拉為負,受壓為正,處理過程中并未改變符號,故應(yīng)力拉為負,壓為正[14]。

本次試驗在受壓和受拉截面所有縱筋均布置有鋼筋計,將最終穩(wěn)定數(shù)據(jù)提取,經(jīng)式(1)換算應(yīng)力。因混凝土同一z軸高度截面應(yīng)力值相同,通過對多個縱筋應(yīng)力取平均值,確定該截面的應(yīng)力值,選取截面如圖11所示。各鋼筋穩(wěn)定應(yīng)力值如表1所示。

表1 鋼筋應(yīng)力換算及截面應(yīng)力計算

圖11 梁截面示意圖

3.2 實測鋼筋內(nèi)力換算墻體彎矩理論

通過鋼筋計測出受拉區(qū)鋼筋的拉應(yīng)力平均值為σ1s,同一高度測出的受壓區(qū)鋼筋的平均壓應(yīng)力為σ2s,假定結(jié)構(gòu)砼與鋼筋具有相同的形變,即拉壓應(yīng)變相同,受拉和受壓鋼筋間距為d,砼彈性模量為Ec,鋼筋彈性模量為Es,混凝土截面慣性矩為Iz。

將該梁考慮為純彎環(huán)境的等直梁條件,根據(jù)梁橫截面上的正應(yīng)力條件計算公式為

(2)

式中:M為橫截面上的彎矩,kN·m;y為所求應(yīng)力點的縱坐標,m;Iz為截面對中性軸z的慣性矩,m4。

根據(jù)式(2)對肋柱和腰梁混凝土截面受拉、受壓鋼筋截面應(yīng)力為

(3)

式中:σs1為受拉區(qū)測點處混凝土拉應(yīng)力;σs2為受壓區(qū)測點處混凝土的壓應(yīng)力。鋼筋計測試數(shù)據(jù)為負值代表受拉,數(shù)據(jù)處理時并未對其反號處理,故該數(shù)值負值代表拉應(yīng)力。將式(3)兩式相減得

(4)

同截面上混凝土與鋼筋具有相同的拉和壓應(yīng)變,即

εC=εs

(5)

故:

(6)

將式(6)帶入式(4)可得

(7)

該擋墻肋柱和腰梁結(jié)構(gòu)混凝土標號為C30,主筋型號均為HRB400,故Ec=30.0 GPa,Es=200.0 GPa,d的取值由實際配筋截面形式測量,肋柱為0.58 m,腰梁為0.53 m。肋柱截面Iz值求解為1 264 215 965 mm4,腰梁Iz為6 300 000 000 mm4。將以上數(shù)值及表1所計算同截面鋼筋平均應(yīng)力值分別帶入式(7),可計算得在該截面的混凝土彎矩值如表2所示。

表2 擋墻立板結(jié)構(gòu)彎矩計算

由實測數(shù)據(jù)繪制的該扶壁式擋墻中,裝配式生態(tài)擋墻立板結(jié)構(gòu),肋柱縱筋在腰梁GLy.2位置變?yōu)樨搹澗?其彎矩值與基礎(chǔ)至腰梁中點GLy.1位置數(shù)值相當,符號相反,基底因為固定端,出現(xiàn)負彎矩且底部不為零。隨上部土壓應(yīng)力減小,腰梁至頂梁中點GLy.3位置,正彎矩值相對較小。腰梁縱筋位于扶壁和肋柱中點GY1.y和GY2.y位置均處于正彎矩,彎矩值相當且數(shù)值較小,腰梁位于該中點彎矩值較小,是由于扶壁鏈接位置為固定端,正彎矩減小所致。

3.3 實測擋墻結(jié)構(gòu)彎矩分析

將表2數(shù)據(jù)結(jié)合測試點位繪制為該立板結(jié)構(gòu)彎矩如圖12所示。為方便分析,彎矩圖中所有曲線段暫用直線示意,主要展現(xiàn)彎矩變化趨勢。

圖12 立板測試點位彎矩

4 裝配式生態(tài)現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)簡化計算法

4.1 墻背荷載模型

4.2 裝配式生態(tài)擋墻模型試算方法

裝配式生態(tài)擋墻應(yīng)用于扶壁式擋墻立板結(jié)構(gòu),替換后由現(xiàn)澆的混凝土結(jié)構(gòu)肋柱、腰梁和頂梁,分別與結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)和扶壁鏈接,在該立板結(jié)構(gòu)內(nèi)形成井字梁結(jié)構(gòu),簡化算法擬采用井字梁計算模型,以分析該荷載條件下,肋柱和腰梁的受力情況,經(jīng)過試算多種鏈接方法,目前符合實測數(shù)據(jù)趨勢模型的計算方法共有以下兩種。

方法一:假定基礎(chǔ)和扶壁均為固定端約束,即立板三邊固定,肋柱和腰梁的相交處為自由約束,肋柱與頂梁為簡支約束,其分析模型與彎矩圖如圖13所示。

圖13 方法一模型計算彎矩

該方法計算后,彎矩趨勢與實測基本相同,但因?qū)嶋H墻背所受土壓應(yīng)力分布與試算不同,數(shù)據(jù)值上有一定出入。其彎矩結(jié)果,肋柱在腰梁位置出現(xiàn)負彎矩-18.48 kN·m,其值小于腰梁至基礎(chǔ)出現(xiàn)的最大正彎矩為36.17 kN·m,且與腰梁至頂梁中點出現(xiàn)最大正彎矩為17.57 kN·m數(shù)值相當。腰梁在扶壁和肋柱中點位置正彎矩值均為9.09 kN·m,處于較低水平。

方法二:假定基礎(chǔ)為固定端約束,腰梁、頂梁與扶壁為簡支約束,腰梁與肋柱相交處為簡支約束,其分析模型與彎矩如圖14所示。

圖14 方法二模型計算彎矩

該方法計算后,彎矩趨勢與實測也基本相同,與方法一最大區(qū)別在于腰梁的彎矩分布出現(xiàn)負彎矩。彎矩結(jié)果,肋柱在腰梁位置出現(xiàn)負彎矩-49.50 kN·m,其值大于腰梁至基礎(chǔ)出現(xiàn)的最大正彎矩值為35.18 kN·m,且遠大于腰梁至頂梁中點出現(xiàn)最大正彎矩為17.31 kN·m。腰梁在扶壁和肋柱中點位置正彎矩值均為12.88 kN·m,處于較低水平,而在與肋柱相交位置出現(xiàn)負彎矩,其值為-22.72 kN·m,而在扶壁兩側(cè)彎矩即為0。

綜合方法一和方法二結(jié)論,考慮到規(guī)范要求和設(shè)計經(jīng)驗,方法一的簡化計算方法更為推薦,理由如下:①從《建筑邊坡工程技術(shù)規(guī)范》GB50330—2013 的12.2.6中,建議立板可根據(jù)邊坡約束條件三邊固定一邊自由進行計算,即基礎(chǔ)和扶壁均可考慮為固定端,實際基礎(chǔ)和扶壁不發(fā)生任何位移和轉(zhuǎn)動;②該計算模型即假定肋柱和腰梁皆為連續(xù)梁,通常按照建筑井字梁設(shè)計要求,連續(xù)梁中間一般不采用鉸接,這是由于井字梁在該處皆為連續(xù)通過,此處無扭矩,故無須點鉸;③該簡化計算模型假定墻背為實測土壓應(yīng)力最大值的均布荷載,和實際分布相比存在放大荷載。在同樣放大荷載條件下,方法一相比方法二在計算值量級上更接近于實測數(shù)據(jù),方法二可能會存在過量設(shè)計的情況,考慮到土壓應(yīng)力分布在實際理論計算已大于實測的情況下,方法一更符合實際且更經(jīng)濟。

5 結(jié)論與建議

重慶兩江協(xié)同創(chuàng)新區(qū)六橫線明月大道項目(圖15),首次采用扶壁式裝配式生態(tài)擋墻結(jié)構(gòu)形式,裝配式建筑施工方便,有效減少碳排放。同時可在裝配式生態(tài)擋墻的PC構(gòu)件中進行客土綠化,搭配灌木類植物,美化城市環(huán)境。但該擋墻目前有關(guān)結(jié)構(gòu)設(shè)計計算方面的研究在國內(nèi)依然是空白。

圖15 重慶明月大道裝配式生態(tài)扶壁擋墻實景

本文通過對裝配式扶壁生態(tài)擋墻立板結(jié)構(gòu)土壓應(yīng)力和鋼筋內(nèi)力的原位試驗,提出土壓應(yīng)力的簡化分布模型,并通過實測數(shù)據(jù),對該擋墻立板結(jié)構(gòu)的計算模型提出簡化計算方法,即肋柱和腰梁采用三邊固定,內(nèi)部交點自由的約束方法進行計算,符合規(guī)范要求和實測數(shù)據(jù)規(guī)律,這為將來該擋墻應(yīng)用提供結(jié)構(gòu)計算依據(jù)。

目前缺少腰梁截面在肋柱交點上的內(nèi)力數(shù)據(jù),無法完全確定方法一和方法二的準確性,建議在未來試驗中完善該點數(shù)據(jù)。簡化計算法受到扶壁間距和擋墻高度,即y/h的影響,本次試驗僅討論了y/h為0.43的簡化模型,對其他比值并未討論和研究。